El Transistor, un elemento clave en la evolución de las computadoras.
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Generaciones de las computadoras
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Como empieza las generaciones de las computadoras
Las primeras computadoras de la década de 1940 poseían solamente dos niveles de lenguaje de programación: el nivel del lenguaje de máquina, en la cual toda la programación era diseñada, y el nivel de la lógica digital, donde los programas eran efectivamente ejecutados. Con Wilkes, en 1951, surgió la idea de proyectar una computadora a tres niveles, a fin de simplificar el hardware. Esta computadora tenía un programa denominado interprete, almacenado permanentemente, cuya función era ejecutar los programas en lenguaje de máquina. El hardware así podría simplificarse: tendría sólo que ejecutar un pequeño conjunto de micro instrucciones almacenadas, en vez de todo el programa en lenguaje de máquina, lo que exigía menos circuitos electrónicos. A partir de ahí comienzan a evolucionar los lenguajes y las arquitecturas de las computadoras, impulsadas, principalmente, por la aparición de un nuevo concepto en la Historia de la Computación: los Sistemas Operativos.
PC - Primera Computadora Personal
De la segunda generación de ordenadores a los días de hoy
La segunda generación (1956 - 1963) fue impulsada por la invención del transistor (1948) y en 1956 ya se producían computadoras con esta tecnología. Aparecieron también los modernos dispositivos, tales como las impresoras, las cintas magnéticas, los discos para almacenamiento, etc. Las computadoras pasaron a tener un desarrollo rápido, impulsadas principalmente por dos factores esenciales: los sistemas operativos y los lenguajes de programación. Los circuitos integrados propiciaron un nuevo avance y con ellos surgieron los ordenadores de tercera generación (1964 - 1970). Las tecnologías LSI, VLSI y ULSI contenian millones de componentes electrónicos en un pequeño espacio o chip, iniciando la cuarta generación, que viene hasta los días de hoy. Los actuales avances en investigación y el proyecto de nuevas tecnologías para las computadoras están posibilitando el surgimiento de la quinta generación. Dos avances que configuran un divisor de aguas son el procesamiento paralelo, que quebró el paradigma de Von Neumann, y la tecnología de los superconductores.
Arquitecturas de las computadoras y sistemas operativos
El término arquitectura de computadora viene de la posibilidad de visualizarse una computadora como un conjunto jerárquico de niveles que permite entender como las computadoras están organizadas. Las primeras computadoras digitales, por ejemplo, solamente poseían dos niveles. El primero llamado nivel de la lógica digital, formado en el inicio por válvulas y después por transistores, circuitos integrados, etc. El segundo es llamado nivel 1, también llamado nivel de microprograma, que es el nivel del lenguaje de la máquina, donde toda la programación era realizada a través de ceros y unos, y que posteriormente sería el responsable de interpretar las instrucciones del nivel 2.
Con Maurice Wilkes en 1951 surgió otro nivel, donde las instrucciones eran escritas de un modo más conveniente para la comprensión humana: la técnica consistía en sustituir cada instrucción de ese nuevo nivel por un conjunto de instrucciones del nivel anterior (nivel de la máquina) o examinar una instrucción de cada vez y ejecutar la secuencia de instrucciones equivalentes del nivel de la máquina. Se denominan estos procedimientos por traducción e interpretación. Esto simplificó el hardware, que ahora solamente tenía un conjunto mínimo de instrucciones y por lo tanto menos circuitos eran necesarios.
A partir de ahí la evolución del hardware avanza juntamente con los nuevos descubrimientos científicos: casi en la misma época de la aparición de los transistores, por ejemplo, surgió el concepto de bus de datos, que aceleró la velocidad de las computadoras. Al mismo tiempo aparecieron los grandes sistemas operativos, (simplificadamente, un conjunto de programas permanentes en la computadora, liberando al programador de tareas relacionadas directamente con el funcionamiento de la computadora), como DOS y OS de IBM. Estos evolucionaron posibilitando nuevos conceptos que mejoraron la performance de las computadoras, como por ejemplo los sistemas de multitasking, es decir, la posibilidad de varios programas sean ejecutados en paralelo en una misma computadora. Un importante marco que posibilitó estos avances fue la introducción de procesadores de entrada y salida. Esto motivó la aparición de los conceptos de competencia, comunicación y sincronización: una vez que dos procesadores están operando simultáneamente, surge la necesidad de proveer mecanismos para sincronizarlos y establecer un canal de comunicación entre ellos.
Es la era de las arquitecturas mainframes: el soporte de las tareas computacionales y el desarrollo de las aplicaciones eran realizadas en una área central, denominada centro de computación. Terminales conectadas directamente a esta gran computadora eran utilizadas solamente por personas relacionadas a las aplicaciones disponibles.
En los años 70 surgieron los supercomputadoras, máquinas que innovaron en la arquitectura. Hasta el momento, el crecimiento de la eficiencia de las computadoras estaba limitado por la tecnología, más específicamente por el procesamiento que exigía que el procesador central de una computadora terminara una tarea para comenzar a realizar otra, produciendo el cuello de botella de von Neumann. Un avance significativo vino con el supercomputadora Cray-1, de Cray Research, en 1971. Fue la primer computadora pipeline, cuyo procesador ejecutaba una instrucción dividiéndola en partes, como en la línea de montaje de un coche. Mientras la segunda parte de una instrucción estaba siendo procesada, la primera parte de otra instrucción comenzaba a ser trabajada. La evolución siguiente fue la denominada computadora vectorial, o computadora SIMD (single instruction multiple date) cuyo procesador trabajaba con más de un conjunto de datos al mismo tiempo. Un poco después surgió la arquitectura MIMD (multiple instructions multiple date) y aparecieron computadoras con múltiples procesadores como la Connection Machine, con 65.536 procesadores.
Hay primariamente tres límites para la performance de los supercomputadoras: la velocidad del procesador, el gasto de tiempo (el término técnico, ampliamente utilizado en Computación, es overhead), que significa lograr que un gran número de procesadores trabajen juntos en una única tarea, y la velocidad de entrada y salida entre los procesadores y entre los procesadores y la memoria. La velocidad de los procesadores aumenta cada día, pero a un alto costo de investigación y desarrollo, y la realidad es que se está alcanzando los límites de los procesadores basados en silicio. Seymour Cray demostró que la tecnología de galio arsénico podría ser la solución, pero es muy difícil trabajar con él y pocas industrias estarían aptas a desarrollar procesadores de ese tipo. La solución, como se hablará más abajo camina hacia el uso de un mayor número de procesadores, dando mayor velocidad a la computadora mediante el uso de esos procesadores a través del procesamiento paralelo.
Con la tecnología VLSI (cuarta generación de ordenadores) surgieron las mini computadoras, lo que posibilitó a que muchas empresas y universidades informatizaran sus departamentos. Los grandes usuarios interconectaban las minicomputadoras para enviar tareas a sus mainframes. La arquitectura principal continuaba ubicada en el centro de computación. De la minicomputadora hacia la computadora personal fue solamente un paso, y en el inicio de la década de 1980 aparecieron las primeros PC's (Personal Computer). Ya en los años 1980 aparecieron las arquitecturas RISC (Reduced Instruction Set Code), con la promesa de mayor performance por la eliminación del concepto de microprograma. De cualquier manera estas computadoras aún son máquinas de Von Neumann tradicionales, con todas sus limitaciones, la mayor de ellas la velocidad de los circuitos no puede crecer indefinidamente.
Las tentativas de quebrar el cuello de botella de Von Neumann y el inicio de la descentralización de los sistemas, con el surgimiento de las arquitecturas de red posibilitaron la universalización del uso de la tecnología de la Computación, hicieron emerger y desarrollar las arquitecturas paralelas de hardware.
La idea de incluir paralelismo en las computadoras es tan antigua como las propios computadoras. Trabajos desarrollados por Con Neumann en la década de 1940 ya discutían la posibilidad de algoritmos paralelos para la solución de ecuaciones diferenciales. El sistema Model V, desarrollado entre 1944 y 1947 por G. R. Stibitz y S. B. Willians en los laboratorios de Bell Telephone es un ejemplo típico de máquina paralela. Constituido por dos procesadores y tres posiciones de entrada y salida, ese multiprocesodor primitivo era capaz de ejecutar dos programas distintos tanto como era posible que los dos procesadores estuvieran trabajando para un mismo programa. Posteriormente fue desarrollada la Illiac IV, en la década de 1960, constituido por 64 procesadores. Como fue citado, a partir de la década de 1970 comenzaron a ser producidos supercomputadoras basados en arquitecturas paralelas.
Juntamente con las arquitecturas evolucionan los sistemas operativos y la evolución de las líneas de procesadores de una empresa como Intel sirven para reflejar la evolución de la industria de las computadoras en un determinado periodo. Como algo para destacar se pueden citar el MS-DOS, el OS/2 y el UNIX. Especialmente este último, que surgió como fruto de los trabajos de un ingeniero de Bell Labs, Ken Thompson, fue popularizado en los medios universitarios que usaban computadoras PDP-11/45, durante la década de 1970. La palabra UNIX se esparció rápidamente por todo el mundo y en el inicio de 1980 este sistema operativo estaba disponible en más computadoras que cualquiera otro sistema operativo de la época, siendo hoy en dia utilizado.
Una nueva arquitectura, que determinó una evolución de la Computación fue el resultado de la rápida convergencia de las tecnologías de comunicaciones de datos, telecomunicaciones y la propia informática. Internet, o el modelo computacional basado en una red, tuvo su origen los años de la década de 1970, como un esfuerzo del Departamento de Defensa de los EUA para conectar su red experimental, llamada ARPAnet, a varias otras redes de radio y satélites. Se esparció luego enseguida en los medios académicos.
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